CN1095724C - 三自由度三轴并联虚拟轴机床 - Google Patents
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Abstract
一种三自由度三轴并联虚拟轴机床，其主要技术特征是，运动台通过三支连杆与固定台连接，三支连杆与运动台的连接是分布在运动台三个互相垂直平面上的虎克铰，三支连杆与固定台的连接是分布在固定台三个互相垂直平面上的运动副，运动台上装着电主轴和刀具。本发明机床具有高刚度、高精度、低运动质量、高动态性能、结构简单、成本低、易制造的优点。可广泛用于对空间曲面(如模具、叶轮、螺旋齿轮等)的加工上。
Description
本发明属于机械制造领域，特别涉及一种三自由度三轴并联虚拟轴机床。
数控机床是机械制造的重要设备，其性能的好坏标志着一个国家制造业的水平。近十年来，国际上出现了一种新概念机床——虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tool)，也称之为六条脚机床(6-Leg MachineTool)或并联机床(Parallel Machine Tool)。虚拟轴机床是国际上数控研究领域非常关注的热点课题，国内外学者作大量的研究工作。虚拟轴数控机床是知识密集、智力密集、技术密集的机电一体化高技术产品，是并联机器人、数控机械、计算机控制、精密测量、数控加工等多学科应用技术的交叉。虚拟轴机床采用并联结构，具有模块化程度高、运动部件质量轻、制造成本低等优点。与传统机床相比，虚拟轴机床因采用了刀具运动的形式，从而改善了其速度、加速度、精度和刚度等性能。
在《机电信息》1998(1)：23-24中报道，1994年，在芝加哥国际制造技术展览会(IMTS’94)上，美国积仃斯与莱威斯(Giddings &Lewis)公司和因阁塞耳(Ingersoll)公司第一次在世界上展出了VARIAX和HOH600虚拟轴机床。在这之后国内外许多学者和著名的机床制造厂都非常关注虚拟轴机床的设计理论研究和样机的研制。在《世界制造技术与装备市场》1998(1)：17-21中报道，在97年的欧洲国际机床展览会(EMO’97)上，美国、日本、德国、瑞士、俄罗斯等大学和机床制造商展出了10余台虚拟轴机床样机。在《制造技术与机床》1998(2)：42-34中报道，国内清华大学研制了VAMTIY型。哈尔滨工业大学研制了六自由度虚拟轴机床样机。天津大学研制了三自由度虚拟轴机床样机。这些虚拟轴机床强烈地冲击了近代机床200余年一直不变按笛卡儿坐标体系设计机床的传统，人们认为虚拟轴机床将是21世纪新概念机床的形式。
尽管国内外有许多学者、学校和机床制造商研制出了多种虚拟轴机床样机，但是这些虚拟轴机床样机都是采用六自由度并联机构来实现五轴运动，不仅浪费了一个轴的驱动与传动装置，而且使机床造价相对提高和增加了控制与制造难度。
由于虚拟轴机床的机构尺寸参数决定了其性能，对于三自由度三轴虚拟轴机床，国内外主要采用著名的三维移动DELTA并联机构，其结构存在杆件多、易干涉等缺点，因此缺乏用于三自由度三轴虚拟轴机床的并联机构，而实际中三自由度三轴并联机床拥有广泛的市场需求和重要的应用前景。
本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种系统运动非线性度和耦合度明显降低、加工装配工艺性好、造价低的三自由度三轴并联虚拟轴机床(FG3VPMT)。
本发明的技术解决方案如下：
三自由度三轴并联虚拟轴机床(FG3VPMT)的结构是，运动台通过三支连杆与固定台连接，三支连杆与运动台的连接是分布在运动台三个互相垂直平面上的虎克铰，三支连杆与固定台的连接是分布在固定台三个互相垂直平面上的运动副，运动台上装着电主轴和刀具。
三支连杆中，每支连杆可以是伸缩连杆，也可以是定长连杆。
固定台三个互相垂直平面上的运动副是虎克铰或移动副。但定长连杆与固定台平面的连接必须是移动副。
移动副是由固定台三个平面上分布的滑道、滑块组成， 固定台三个平面上有滑道，滑道上装着滑块，滑块上装着虎克铰。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、本发明并联机床与传统的串联式多轴机床相比，具有高刚度，高精度，低运动质量，高动态性能，构造简单，相同零件数量多，成本低，易制造。
2、本发明并联机床与现有的六自由度五轴并联机床相比，结构简单系统运动非线性度和耦合度明显降低，控制简单，造价低。
3、本发明并联机床加工装配工艺性好。
附图的图面说明如下：
图1是本发明三自由度三轴并联虚拟轴机床FG3VPMT-1型结构示意图；
图2是本发明三自由度三轴并联虚拟轴机床FG3VPMT-1型的机构简图；
图3是本发明三自由度三轴并联虚拟轴机床FG3VPMT-2型结构示意图；
图4是本发明三自由度三轴并联虚拟轴机床FG3VPMT-2型的机构简图；
图5是本发明三自由度三轴并联虚拟轴机床FG3VPMT-3型结构示意图；
图6是本发明三自由度三轴并联虚拟轴机床FG3VPMT-3型的机构简图；
图7是本发明三自由度三轴并联虚拟轴机床FG3VPMT-4型结构示意图；
图8是本发明三自由度三轴并联虚拟轴机床FG3VPMT-4型的机构简图。
下面结合附图对本发明实施例作进一步详述：
实施例1：FG3VPMT-1型三自由度三轴并联虚拟轴机床
FG3VPMT-1型三自由度三轴并联虚拟轴机床的结构如图1、图2所示。固定台由互相垂直的带滑道的侧面板(1)、带滑道的顶面板(5)、带滑道的背面板(7)和底座(13)组成；立方体运动台(10)通过三支定长连杆(2)、(4)、(8)分别与侧面板(1)、顶面板(5)、背面板(7)连接；三支定长连杆(2)、(4)、(8)分别以虎克铰(14)、(16)、(18)与立方体运动台(10)的三个互相垂直面连接，三支定长连杆(2)、(4)、(8)分别以虎克铰(15)、(17)、(19)与固定台上的滑块(3)、(6)、(9)连接；三个滑块(3)、(6)、(9)分别在固定台的侧面板(1)、顶面板(5)、背面板(7)的滑道上；运动台(10)上安装电主轴和切削刀具(11)；底座(13)上装着加工工件(12)。
本发明机床为一体化结构，运动工作台、固定台三个互相垂直的平面、三支连杆及其虎克铰、移动副均为一体。运动台(10)和刀具(11)通过由动力传动系统驱动的三个滑块(3)、(6)、(9)的移动来实现沿XYZ轴的三维移动，从而完成对工件(12)的切削加工。
实施例2：FG3VPMT-2型三自由度三轴并联虚拟轴机床
FG3VPMT-2型三自由度三轴并联虚拟轴机床的结构如图3、图4所示，固定台由带滑道的侧面板(20)、顶面板(21)、带滑道的背面板(22)和底座(23)组成；立方体运动台(24)通过定长连杆(25)、(27)、伸缩连杆(26)分别与侧面板(20)、背面板(22)、顶面板(21)连接；三支连杆(25)、(26)、(27)分别以虎克铰(28)、(31)、(33)与立方体运动台(24)的三个互相垂直面连接，定长连杆(25)、(27)分别以虎克铰(30)、(35)与固定台上的滑块(29)、(34)连接，而伸缩连杆(26)以虎克铰(32)与固定台顶面板(21)连接；两个滑块(29)、(34)分别在固定台侧面板(20)、背面板(22)的滑道上；运动台(24)上安装电主轴和切削刀具(36)，底座(23)上装着加工工件(37)。运动台(24)与刀具(36)通过由动力传动系统驱动的滑块(29)、(34)和伸缩连杆(26)的移动来实现沿XYZ轴的三维移动，从而完成对工件(37)的切削加工。
实施例3：FG3VPMT-3型三自由度三轴并联虚拟轴机床
FG3VPMT-3型三自由度三轴并联虚拟轴机床的结构如图5、图6所示，固定台由侧面板(38)、带滑道的顶面板(39)、背面板(40)和底座(41)组成；立方体运动台(42)通过三支连杆(43)、(44)、(45)分别与侧面板(38)、顶面板(39)、背面板(40)连接；三支连杆(43)、(44)、(45)分别以虎克铰(46)、(48)、(51)与立方体运动台(42)的三个互相垂直面连接，伸缩连杆(43)、(45)分别以虎克铰(47)、(52)与固定台侧面板(38)、背面板(40)连接，定长连杆(44)以虎克铰(50)与固定台顶面板(39)上的滑块(49)连接；滑块(49)在固定台顶面板(39)的滑道内；运动台(42)上安装电主轴和切削刀具(53)，底座(41)上装着加工工件(54)。运动台(42)和刀具(53)通过由动力传动系统驱动的滑块(49)和伸缩连杆(43)、(45)的移动来实现沿XYZ轴的三维移动，从而完成对工件(54)的切削加工。
实施例4：FG3VPMT-4型三自由度三轴并联虚拟轴机床
FG3VPMT-4型三自由度三轴并联虚拟轴机床的结构如图7、图8所示，固定台由侧面板(55)、顶面板(56)、背面板(57)和底座(58)组成；立方体运动台(59)通过三支伸缩连杆(60)、(61)、(62)分别与侧面板(55)、顶面板(56)、背面板(57)连接；三支伸缩连杆(60)、(61)、(62)分别以虎克铰(63)、(65)、(67)与立方体运动台(59)的三个互相垂直面连接；三支伸缩连杆(60)、(61)、(62)分别以虎克铰(64)、(66)、(68)与固定台侧面板(55)、顶面板(56)、背面板(57)连接；运动台(59)上安装电主轴和切削刀具(69)，底座(58)上装着加工工件(70)。运动台(59)与刀具(69)通过由动力传动系统驱动的伸缩连杆(60)、(61)、(62)的移动来实现沿XYZ轴的三维移动，从而完成对工件(70)的切削加工。
Claims (4)
1、一种三自由度三轴并联虚拟轴机床，包括固定台、运动台、连接固定台与运动台的连杆，其特征在于：运动台通过三支连杆与固定台连接，三支连杆与运动台的连接是分布在运动台三个互相垂直平面上的虎克铰，三支连杆与固定台的连接是分布在固定台三个互相垂直平面上的运动副，运动台上装着电主轴和刀具。
2、按照权利要求1所说的三自由度三轴并联虚拟轴机床，其特征在于：每支连杆可以是伸缩连杆，也可以是定长连杆。
3、按照权利要求1或2所说的三自由度三轴并联虚拟轴机床，其特征在于：固定台三个互相垂直平面上的运动副是虎克铰或移动副，但定长连杆与固定台平面的连接必须是移动副。
4、按照权利要求3所说的三自由度三轴并联虚拟轴机床，其特征在于：移动副是由固定台三个平面上分布的滑道、滑块组成，固定台三个平面上有滑道，滑道上装着滑块，滑块上装着虎克铰。
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| DE29607680U1 (de) * | 1996-04-27 | 1996-06-20 | Carl Zeiss Jena Gmbh, 07745 Jena | Anordnung zur Verringerung der Crashgefahr bei universellen Positioniersystemen |
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2000
- 2000-01-17 CN CN00100195A patent/CN1095724C/zh not_active Expired - Fee Related
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